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2014-09-01天上掉下來的粒子—從包利到希格斯
537 期
Author 作者
張峻輔／清華大學博士，任教高雄中學。
2013年三月，歐洲核子研究組織（CERN）宣告2012年發現的「似希格斯粒子」，幾乎可確定就是標準模型中的「希格斯粒子」；102學年度的學測，更把這項熱門發現放進自然科考題中；去年諾貝爾物理獎也頒發給希格斯（Peter Higgs）與盎格列（Francois Englert）兩位理論學家，以表彰他們對「BEH機制」的貢獻。BEH名稱的由來，是取自對該理論有貢獻之三位物理學家的姓氏開頭字母組成，不過遺憾的是，布繞特（Robert Brout）已於2011年去世，無緣與他當年合作者盎格列一起共享殊榮。
本文將會從放射性元素的衰變出發，以歷史脈絡為經，理論發展為緯，勾勒出標準模型當中「電弱統一理論」如何成形，以及BEH機制在其中扮演的角色，回顧粒子物理發展的關鍵時刻（顧及文長與著重點，省略夸克的發現與強作用力等部份）。
β衰變連續能量分布
β衰變，是放射性原子核X釋出高能β射線（電子）與反微中子後，轉變成另一種原子核Y的過程，最簡單的β衰變就是自由中子衰變為質子並釋放電子與反微中子。
β衰變所釋放的電子，其動能並非單一量值，是連續分布的。 因為微中子質量幾乎為零且不帶電，實驗上要偵測其存在是極為困難的一件事，所以早期有關β衰變的研究一直不知道微中子的存在，單純的認為β衰變是二體衰變問題——產物只有衰變後的原子核與放射出去的電子。經考慮能量守恆原理計算後，預期β射線攜帶的能量應該是個定值，但實驗結果卻出乎意料地出現連續能量分布。
對β衰變的連續能量分布提出合理解釋，成為當時核物理學棘手的難題，鼎鼎有名的量子力學大師波耳（Niels Bohr）甚至因此懷疑能量守恆原理的正確性。這時素有「物理學的良知」（the conscience of physics） 美稱的包利（Wolfgang Pauli） 提出一項假設：在β衰變過程中有一種質量為零、不帶電的中性粒子自原子核中釋出，悄悄帶走這些消失的能量。包利原先將這些難以偵測的中性粒子命名為「中子」，隨著查兌克（James Chadwick）在1932 年發現中子之後，義大利物理學家費米（Enrico Fermi）便將包利的中性粒子改稱為「微中子」。......【更多內容請閱讀科學月刊第537期】